JPH1127583A - Solid-state imaging device, driving method thereof, and camera - Google Patents

Solid-state imaging device, driving method thereof, and camera

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JPH1127583A
JPH1127583A JP9182001A JP18200197A JPH1127583A JP H1127583 A JPH1127583 A JP H1127583A JP 9182001 A JP9182001 A JP 9182001A JP 18200197 A JP18200197 A JP 18200197A JP H1127583 A JPH1127583 A JP H1127583A
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state imaging
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 2種類の蓄積時間の比率の最小値が垂直ブラ
ンキング期間と垂直有効映像期間の時間比率で制限され
るため、高ダイナミックレンジ化を図るには、外部に付
加回路が必要となる。 【解決手段】 第1,第2の光電変換素子群1,2の各
信号電荷を独立に読み出すことが可能なCCD固体撮像
装置において、ある蓄積時間の経過後第1の光電変換素
子群1の各信号電荷を垂直転送部3に読み出して信号成
分Aとし、その後光電変換素子群1,2の全信号電荷を
排出し、続いて所定の時間が経過した後、第1,第2の
光電変換素子群1,2の各信号電荷を読み出し、かつ垂
直転送部3内で混合して信号成分Bとすることで、蓄積
時間の長い側の信号成分Aを1画素の信号電荷で構成
し、蓄積時間の短い側の信号成分Bを2画素の信号電荷
で構成し、2種類の信号成分A,Bの蓄積時間の比率を
下げる。
(57) [Summary] [Problem] Since the minimum value of the ratio of the two types of storage time is limited by the time ratio between the vertical blanking period and the vertical effective video period, an external device must be added to achieve a high dynamic range. Circuit is required. SOLUTION: In a CCD solid-state imaging device capable of independently reading out signal charges of first and second photoelectric conversion element groups 1 and 2, a first photoelectric conversion element group 1 after a certain accumulation time has elapsed. Each signal charge is read out to the vertical transfer unit 3 and becomes a signal component A. Thereafter, all signal charges of the photoelectric conversion element groups 1 and 2 are discharged, and after a predetermined time has elapsed, the first and second photoelectric conversions are performed. The signal charges of the element groups 1 and 2 are read out and mixed in the vertical transfer unit 3 to form a signal component B, so that the signal component A on the long accumulation time side is composed of the signal charge of one pixel, The signal component B on the shorter time side is composed of signal charges of two pixels, and the ratio of the accumulation time of the two types of signal components A and B is reduced.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、固体撮像装置及び
その駆動方法、並びにカメラに関し、特に2次元配置さ
れた画素の信号電荷を独立に読み出すことが可能な固体
撮像装置及びその駆動方法、並びにカメラに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a solid-state imaging device, a driving method thereof, and a camera, and more particularly, to a solid-state imaging device capable of independently reading out signal charges of two-dimensionally arranged pixels and a driving method thereof. About the camera.

【0002】[0002]

【従来の技術】固体撮像装置、例えばCCD(Charge Co
upled Device) タイプの固体撮像装置において、そのダ
イナミックレンジを拡大するための駆動方法として、従
来、個々の光電変換素子での信号電荷を2種類以上の異
なった蓄積時間の信号電荷として出力する方法が知られ
ている(例えば、特開平7−177433号公報、特開
平7−250286号公報、特開平8−84298号公
報参照)。
2. Description of the Related Art Solid-state imaging devices such as CCD (Charge Co.)
As a driving method for expanding the dynamic range of a solid-state imaging device of the type (upled Device), a method of outputting signal charges of individual photoelectric conversion elements as signal charges of two or more different accumulation times has been conventionally used. It is known (see, for example, JP-A-7-177433, JP-A-7-250286, and JP-A-8-84298).

【0003】すなわち、これらの駆動方法は、垂直有効
映像期間に蓄積された信号電荷を垂直ブランキング期間
中に一度読み出し、その後垂直ブランキング期間を利用
してもう一度短い露光期間を設定して光電変換しかつ再
度信号電荷を読み出し、露光時間が長い側の信号電荷と
短い側の信号電荷とを独立に転送して出力するというも
のである。この場合、異なった蓄積時間の複数の信号成
分を構成する光電変換素子(画素)が同一である。
That is, in these driving methods, signal charges stored during a vertical effective video period are read once during a vertical blanking period, and then a short exposure period is set once again using the vertical blanking period to perform photoelectric conversion. Then, the signal charges are read out again, and the signal charges on the longer side and the shorter side are independently transferred and output. In this case, the photoelectric conversion elements (pixels) constituting a plurality of signal components having different accumulation times are the same.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来のCCD固体撮像装置の駆動方法では、2種類の
蓄積時間の比率の最小値は、ラインメモリ或いはフィー
ルドメモリをデバイス内部或いは外部に持たない限り、
垂直ブランキング期間と垂直有効映像期間の時間比率で
制限される。
However, in the above-described conventional driving method of the CCD solid-state imaging device, the minimum value of the ratio of the two types of accumulation times is determined unless a line memory or a field memory is provided inside or outside the device. ,
It is limited by the time ratio between the vertical blanking period and the vertical effective video period.

【0005】したがって、CCD固体撮像装置の出力信
号を直接従来の信号処理回路に入力した場合、高照度部
分のコントラスト比がとれず、このようなCCD固体撮
像装置を使って広ダイナミックレンジ映像を実現するた
めには、2種類の信号成分を外部でゲイン処理後加算す
るか、或いは外部で選択サンプリングを行うなどの処理
が必要となり、またそのための処理回路を付加する必要
がある。また、従来の駆動方法でも、蓄積時間の長い側
の信号電荷の蓄積時間を電子シャッタで短くすること
で、2種類の信号成分の蓄積時間の比率を下げることが
できるが、この場合は蓄積時間が短くなることによって
逆に低照度側の感度が低下する問題が発生する。
Therefore, when the output signal of the CCD solid-state imaging device is directly input to a conventional signal processing circuit, a contrast ratio of a high illuminance portion cannot be obtained, and a wide dynamic range image is realized using such a CCD solid-state imaging device. In order to do so, it is necessary to perform processing such as externally performing gain processing on the two types of signal components or externally performing selective sampling, and it is necessary to add a processing circuit therefor. Also, in the conventional driving method, the ratio of the accumulation time of the two types of signal components can be reduced by shortening the accumulation time of the signal charge on the long accumulation time side by the electronic shutter. In contrast, there is a problem that the sensitivity on the low illuminance side is reduced due to the shortening of the distance.

【0006】本発明は、上記課題に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、回部に付加回路を設
けなくても、低照度側の感度を犠牲にすることなく、よ
り広ダイナミックレンジ化が可能な固体撮像装置及びそ
の駆動方法を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and has as its object to provide a wider light source without sacrifice of sensitivity on the low illuminance side without providing an additional circuit in the circuit. An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of achieving a dynamic range and a driving method thereof.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明では、2次元配置
された画素の信号電荷を独立に読み出すことが可能な固
体撮像装置において、同一画素群から蓄積時間の異なる
信号成分を読み出す際に、蓄積時間の長い第1信号成分
を構成する画素数と蓄積時間の短い第2信号成分を構成
する画素数とを異ならせたことを特徴としている。
According to the present invention, in a solid-state imaging device capable of independently reading out signal charges of two-dimensionally arranged pixels, when reading out signal components having different accumulation times from the same pixel group, It is characterized in that the number of pixels constituting the first signal component having a long accumulation time is different from the number of pixels constituting the second signal component having a short accumulation time.

【0008】ここで、例えば、第1信号成分を構成する
画素数を1、第2信号成分を構成する画素数を2に設定
した場合には、第1信号成分の蓄積時間と第2信号成分
の蓄積時間の比率が、両画素数が同じ場合の1/2にな
る。これにより、ラインメモリ或いはフィールドメモリ
をデバイス内部或いは外部に持たない場合において、第
1信号成分の蓄積時間を短くしなくても、ダイナミック
レンジの拡大が可能となる。
Here, for example, when the number of pixels constituting the first signal component is set to 1 and the number of pixels constituting the second signal component is set to 2, the accumulation time of the first signal component and the second signal component Is 1/2 of the case where the number of pixels is the same. Accordingly, when the line memory or the field memory is not provided inside or outside the device, the dynamic range can be expanded without shortening the accumulation time of the first signal component.

【0009】一方、複数画素で1つの信号成分を構成す
る場合は、画素ごとの読み出しの間に転送動作時間が必
要となる。この転送動作時間はフィールド期間内で蓄積
時間に寄与しない時間となる。したがって、第2信号成
分を構成する画素数を、第1信号成分を構成する画素数
よりも少なく設定し、不要となった転送動作時間を第1
信号成分の蓄積時間に当てることで、低照度の感度の向
上が可能となる。
On the other hand, when one signal component is composed of a plurality of pixels, a transfer operation time is required between readings for each pixel. This transfer operation time is a time that does not contribute to the accumulation time within the field period. Therefore, the number of pixels constituting the second signal component is set smaller than the number of pixels constituting the first signal component, and the unnecessary transfer operation time is reduced to the first.
By applying the accumulation time of the signal component, the sensitivity at low illuminance can be improved.

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を用いて詳細に説明する。図1は、本発明の第1
実施形態を示す概略構成図である。この第1実施形態で
は、蓄積時間の長い信号成分Aと蓄積時間の短い信号成
分Bを各々最大2画素で構成する場合の構造例となって
いる。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention.
It is a schematic structure figure showing an embodiment. The first embodiment is an example of a structure in which a signal component A having a long accumulation time and a signal component B having a short accumulation time are each composed of a maximum of two pixels.

【0011】図1において、半導体基板上に2次元配列
され、入射光をその光量に応じた電荷量の信号電荷に変
換して蓄積する光電変換素子(画素)群は、ライン単位
(行単位)で交互に第1,第2の光電変換素子群1,2
に分類される。これら光電変換素子群の垂直列ごとに複
数の垂直転送部3が設けられている。これら垂直転送部
3は、各画素に1:1の対応関係を持って設けられたパ
ケット3a,3bの集合(パケット列)によって構成さ
れている。ここに、パケットとは、1つの信号成分を扱
う単位を言うものとする。
In FIG. 1, a group of photoelectric conversion elements (pixels) which are two-dimensionally arranged on a semiconductor substrate and convert incident light into signal charges having a charge amount corresponding to the light amount and accumulate the signal charges are line units (row units). , The first and second photoelectric conversion element groups 1 and 2
are categorized. A plurality of vertical transfer units 3 are provided for each vertical column of the photoelectric conversion element group. The vertical transfer unit 3 is configured by a set (packet sequence) of packets 3a and 3b provided in each pixel with a 1: 1 correspondence. Here, a packet refers to a unit that handles one signal component.

【0012】垂直転送部3の図面上の下側には、1本の
水平転送部4が設けられている。この水平転送部4は、
水平方向の画素数の少なくとも2倍のパケット4a,4
bの集合(パケット列)によって構成されている。水平
転送部4の出力端側には、水平転送部4によって転送さ
れてきた信号電荷を検出して信号電圧として出力する電
荷検出部5が設けられている。電荷検出部5の出力信号
は、出力アンプ6を介して外部へ導出される。
One horizontal transfer unit 4 is provided below the vertical transfer unit 3 in the drawing. This horizontal transfer unit 4
Packets 4a, 4 of at least twice the number of pixels in the horizontal direction
b (packet sequence). On the output end side of the horizontal transfer unit 4, a charge detection unit 5 that detects the signal charge transferred by the horizontal transfer unit 4 and outputs it as a signal voltage is provided. The output signal of the charge detection unit 5 is led to the outside via the output amplifier 6.

【0013】以上のように、蓄積時間の長い信号成分A
と蓄積時間の短い信号成分Bを各々最大2画素で構成す
る場合は、2つの光電変換素子群1,2と、2つの信号
成分A,Bを取り扱う垂直転送部(パケット3a,3
b)3及び水平転送部(パケット4a,4b)4で構成
される。なお、本実施形態においては、信号成分Aを1
画素の信号電荷より構成し、信号成分Bを2画素の信号
電荷より構成するものとする。
As described above, the signal component A having a long accumulation time
When each of the signal components B having a short accumulation time is composed of a maximum of two pixels, two photoelectric conversion element groups 1 and 2 and a vertical transfer unit (packets 3a and 3) handling the two signal components A and B are used.
b) 3 and a horizontal transfer unit (packets 4 a and 4 b) 4. In this embodiment, the signal component A is set to 1
It is assumed that the signal component B is composed of the signal charges of the pixels, and the signal component B is composed of the signal charges of the two pixels.

【0014】次に、上記構成のCCD固体撮像装置にお
いて、信号成分Aを1画素の信号電荷より構成し、信号
成分Bを2画素の信号電荷より構成する場合の駆動方法
について、図2のタイミングチャートを用いて説明す
る。なお、その駆動は、タイミングジェネレータ7で発
生されるフィールド識別信号、垂直ブランキング識別信
号、読み出しパルス1、読み出しパルス2、垂直転送パ
ルス及び電荷排出パルス等によって行われる。
Next, in the CCD solid-state imaging device having the above-described structure, a driving method in the case where the signal component A is composed of the signal charges of one pixel and the signal component B is composed of the signal charges of two pixels will be described with reference to the timing chart of FIG. This will be described using a chart. The driving is performed by a field identification signal generated by the timing generator 7, a vertical blanking identification signal, a read pulse 1, a read pulse 2, a vertical transfer pulse, a charge discharge pulse, and the like.

【0015】ここで、読み出しパルス1は、第1の光電
変換素子群1から垂直転送部3に信号電荷を読み出すパ
ルスである。読み出しパルス2は、第2の光電変換素子
群2から垂直転送部3に信号電荷を読み出すパルスであ
る。垂直転送パルスは、垂直転送部3を駆動するパルス
である。電荷排出パルスは、第1,第2の光電変換素子
群1,2の信号電荷を例えば半導体基板に排出するパル
スである。
Here, the read pulse 1 is a pulse for reading a signal charge from the first photoelectric conversion element group 1 to the vertical transfer section 3. The read pulse 2 is a pulse for reading a signal charge from the second photoelectric conversion element group 2 to the vertical transfer unit 3. The vertical transfer pulse is a pulse for driving the vertical transfer unit 3. The charge discharge pulse is a pulse for discharging signal charges of the first and second photoelectric conversion element groups 1 and 2 to, for example, a semiconductor substrate.

【0016】図2のタイミングチャートにおいて、先
ず、時刻t0を起点として第1,第2の光電変換素子群
1,2での光電変換及びそれに伴う信号電荷の蓄積が開
始される。そして、時間T1が経過した時点t1で読み
出しパルス2が発生することにより、第2の光電変換素
子群2の各信号電荷が垂直転送部3のパケット3aに読
み出される。この第2の光電変換素子群2の1画素分の
信号電荷が信号成分Aとなる。
In the timing chart of FIG. 2, first, starting at time t0, photoelectric conversion in the first and second photoelectric conversion element groups 1 and 2 and accumulation of signal charges associated therewith are started. Then, when the read pulse 2 is generated at time t1 when the time T1 has elapsed, each signal charge of the second photoelectric conversion element group 2 is read out to the packet 3a of the vertical transfer unit 3. The signal charge for one pixel of the second photoelectric conversion element group 2 becomes the signal component A.

【0017】その後、時刻t2で電荷排出パルスが発生
することにより、第1,第2の光電変換素子群1,2の
各信号電荷が半導体基板に排出される。続いて、時間T
2が経過した時刻t3で読み出しパルス1が発生するこ
とにより、第1の光電変換素子群1の各信号電荷が垂直
転送部3のパケット3bに読み出される。このパケット
3bに読み出された信号電荷は、時刻t4で垂直転送パ
ルスが発生することにより、1単位、即ちパケット3a
に転送される。
Thereafter, a signal discharge pulse is generated at time t2, whereby each signal charge of the first and second photoelectric conversion element groups 1 and 2 is discharged to the semiconductor substrate. Subsequently, time T
When the read pulse 1 is generated at time t3 when 2 has elapsed, each signal charge of the first photoelectric conversion element group 1 is read into the packet 3b of the vertical transfer unit 3. The signal charge read out to the packet 3b is reduced to one unit, that is, the packet 3a by generating a vertical transfer pulse at time t4.
Is forwarded to

【0018】その後、時刻t5で読み出しパルス2が発
生することにより、第2の光電変換素子群2の各信号電
荷が垂直転送部3のパケット3aに読み出される。これ
により、時刻t3で読み出された第1の光電変換素子群
1の信号電荷と、時刻t5で読み出された第2の光電変
換素子群2の信号電荷とが垂直転送部3のパケット3a
で混合される。この混合された2画素分の信号電荷が信
号成分Bとなる。もう一方のフィールドにおいては、第
1,第2の光電変換素子群1,2から垂直転送部3に転
送する順序を逆にすることで、インタレースされた信号
が得られる。
Thereafter, at time t5, a read pulse 2 is generated, so that each signal charge of the second photoelectric conversion element group 2 is read into the packet 3a of the vertical transfer unit 3. As a result, the signal charges of the first photoelectric conversion element group 1 read at time t3 and the signal charges of the second photoelectric conversion element group 2 read at time t5 are converted into packets 3a of the vertical transfer unit 3.
Mixed in. The mixed signal charges for two pixels are signal components B. In the other field, an interlaced signal is obtained by reversing the order of transfer from the first and second photoelectric conversion element groups 1 and 2 to the vertical transfer unit 3.

【0019】ここで、図2のタイミングチャートにおい
て、期間T1(T3)及びT2(T4)は、各々信号成
分A及びBの各蓄積時間に相当するが、時刻t1,t
3,t4,t5,t6,t8,t9,t10は、固体撮
像装置内にラインメモリ或いはフィールド/フレームメ
モリを持たない構造においては、全て垂直ブランキング
期間内になるため、期間T1(T3)とT2(T4)の
比率の最小値は制限される。
Here, in the timing chart of FIG. 2, the periods T1 (T3) and T2 (T4) correspond to the respective accumulation times of the signal components A and B, respectively.
In the structure in which the solid-state imaging device does not have a line memory or a field / frame memory, all of 3, 3, t5, t6, t8, t9, and t10 are within the vertical blanking period. The minimum value of the ratio of T2 (T4) is limited.

【0020】ところが、本実施形態においては、蓄積時
間の短い側の信号成分Bのみを2画素で構成するように
したことにより、期間T1(T3)とT2(T4)の比
率、即ち長い側の蓄積時間と短い側の蓄積時間の比率を
実質的に従来の1/2にすることができる。これによ
り、CCD固体撮像装置のダイナミックレンジをより拡
大できることになる。
However, in the present embodiment, only the signal component B on the short accumulation time side is composed of two pixels, so that the ratio between the periods T1 (T3) and T2 (T4), that is, the long side is used. The ratio between the accumulation time and the accumulation time on the shorter side can be substantially reduced to の of the conventional one. Thereby, the dynamic range of the CCD solid-state imaging device can be further expanded.

【0021】信号成分A及びBは垂直転送部3で順次垂
直転送され、さらに水平転送部4のパケット4a,4b
に移されて順次水平転送された後、1信号成分ごとに電
荷検出部5に転送される。電荷検出部5は、順次転送さ
れてきた信号成分AとBを加算する機能を持つととも
に、被加算信号成分である信号成分Aに含まれる信号飽
和時のムラをスライスするためのクリップ機能をも有し
ている。
The signal components A and B are sequentially vertically transferred by the vertical transfer unit 3, and the packets 4 a and 4 b of the horizontal transfer unit 4 are further transferred.
And sequentially transferred horizontally, and then transferred to the charge detection unit 5 for each signal component. The charge detection unit 5 has a function of adding the sequentially transferred signal components A and B, and also has a clip function for slicing unevenness at the time of signal saturation included in the signal component A which is the signal component to be added. Have.

【0022】このクリップ機能を有する電荷検出部5の
構造の一例を図3に示す。同図において、本実施形態に
係る電荷検出部5は、N型半導体基板8上のPウェル9
の表面側に所定の間隔を持って形成されたN型不純物か
らなるフローティングディフュージョン(FD)10及
びリセットドレイン(RD)11と、それらの間のチャ
ネル領域の上方に配された例えば2つのリセットゲート
電極12-1,12-2とからなるフローティング・ディフ
ュージョン・アンプ構成となっている。
FIG. 3 shows an example of the structure of the charge detector 5 having the clip function. In FIG. 1, a charge detection unit 5 according to the present embodiment includes a P well 9 on an N-type semiconductor substrate 8.
Floating diffusion (FD) 10 and reset drain (RD) 11 made of N-type impurities formed at predetermined intervals on the surface side of the semiconductor device, and, for example, two reset gates disposed above a channel region between them. The floating diffusion amplifier has electrodes 12-1 and 12-2.

【0023】上記構成の電荷検出部5において、フロー
ティングディフュージョン10は水平転送部4から順に
注入される信号成分AとBを加算して電圧に変換する。
リセットドレイン11は、電圧変換後のフローティング
ディフュージョン10内の信号電荷を排出する。2つの
リセットゲート電極12-1,12-2は、フローティング
ディフュージョン10とリセットドレイン11の間に直
列に配置され、各々独立したクロックパルスとバイアス
電圧が印加されるようになっている。
In the charge detecting section 5 having the above-described configuration, the floating diffusion 10 adds the signal components A and B sequentially injected from the horizontal transfer section 4 and converts them into a voltage.
The reset drain 11 discharges signal charges in the floating diffusion 10 after voltage conversion. The two reset gate electrodes 12-1 and 12-2 are arranged in series between the floating diffusion 10 and the reset drain 11, and independent clock pulses and bias voltages are applied to each of them.

【0024】ここで、リセットゲート電極12-1,12
-2のバイアス電圧を各々クリップレベルに応じたレベル
に設定することで、被加算信号となる信号成分Aに含ま
れる飽和ムラを除去して加算することが可能となる。す
なわち、クリップレベルに応じたレベルのバイアス電圧
をリセットゲート電極12-1,12-2に印加すること
で、リセットゲート電極12-1,12-2の下のポテンシ
ャルはクリップレベルに応じた深さになり、このポテン
シャルを越える信号成分Aの飽和ムラ分に相当する電荷
がリセットドレイン11に排出される。
Here, the reset gate electrodes 12-1 and 12-1
By setting each of the -2 bias voltages to a level corresponding to the clip level, it becomes possible to remove saturation unevenness included in the signal component A that is the signal to be added and to perform addition. That is, by applying a bias voltage of a level corresponding to the clip level to the reset gate electrodes 12-1 and 12-2, the potential below the reset gate electrodes 12-1 and 12-2 becomes a depth corresponding to the clip level. The electric charge corresponding to the saturation unevenness of the signal component A exceeding this potential is discharged to the reset drain 11.

【0025】そして、リセット動作を1回間引くことに
より、飽和ムラが除去された信号成分Aがそのままフロ
ーティングディフュージョン10内に保持され、続いて
フローティングディフュージョン10に信号成分Bが注
入されることで信号成分AとBが加算される。また、2
つのリセットゲート電極12-1,12-2を直列配置した
ことにより、各リセットゲート電極12-1,12-2は2
値レベルのクロック動作が可能となり、3値以上のクロ
ック動作を必要としない。
Then, by thinning out the reset operation once, the signal component A from which the saturation unevenness has been removed is held in the floating diffusion 10 as it is, and subsequently the signal component B is injected into the floating diffusion 10 to thereby reduce the signal component. A and B are added. Also, 2
Since the two reset gate electrodes 12-1 and 12-2 are arranged in series, each reset gate electrode 12-1 and 12-2 has two reset gate electrodes 12-1 and 12-2.
A clock operation at a value level becomes possible, and a clock operation with three or more values is not required.

【0026】図4に、1つの被加算信号(長時間蓄積信
号成分)と1つの加算信号(短時間蓄積信号成分)によ
り広ダイナミックレンジ出力を得るための駆動例のタイ
ミングチャートを示す。
FIG. 4 shows a timing chart of a driving example for obtaining a wide dynamic range output by one added signal (long-time accumulated signal component) and one added signal (short-time accumulated signal component).

【0027】同図において、クロックA及びBは、2つ
のリセットゲート電極12-1,12-2に印加するクロッ
クであり、クロックCは水平転送部4の最終段を駆動す
るクロックである。期間P1はフローティングディフュ
ージョン10を完全にリセットする期間、期間P2は被
加算信号をクリップする期間、期間P3は被加算信号に
対して加算信号が加算されて、広ダイナミックレンジの
信号成分が出力されている期間である。
In the figure, clocks A and B are clocks applied to the two reset gate electrodes 12-1 and 12-2, and clock C is a clock for driving the final stage of the horizontal transfer unit 4. The period P1 is a period during which the floating diffusion 10 is completely reset, the period P2 is a period during which the signal to be added is clipped, and the period P3 is a signal in which a signal component having a wide dynamic range is output by adding the addition signal to the signal to be added. It is a period that is.

【0028】図5に、本発明の駆動方法及び従来の駆動
方法で駆動した場合の信号成分A,B及び電荷検出部5
でクリップ/加算された後の光量出力特性例を示す。
FIG. 5 shows the signal components A and B and the charge detector 5 when driven by the driving method of the present invention and the conventional driving method.
5 shows an example of the light amount output characteristic after clipping / addition.

【0029】同図において、aは信号成分Aの出力特
性、bは信号成分Bを構成する1画素分の出力特性、c
は従来方法の駆動で信号成分A,Bとも同一画素で構成
する場合の加算後の出力特性、dは信号成分Bのみ2倍
の画素で構成する場合の加算後の出力特性をそれぞれ示
す。
In the figure, a is the output characteristic of the signal component A, b is the output characteristic of one pixel constituting the signal component B, c
Represents the output characteristic after addition when the signal components A and B are formed of the same pixel in the conventional driving method, and d represents the output characteristic after addition when the signal component B is formed of twice as many pixels.

【0030】出力特性cは従来の駆動方法で駆動した場
合の特性であるが、屈曲点での変化が大きいため、信号
成分Aと信号成分Bを増幅や選択等の方法で前処理する
ことなく加算した場合には、屈曲点付近及び高照度領域
での信号コントラストを確保するのが困難である。一
方、出力特性dはダイナミックレンジ幅こそ低下するも
のの、前処理なく加算した場合でも適度なコントラスト
を確保することが可能となる。
The output characteristic c is a characteristic when driven by the conventional driving method. However, since the change at the inflection point is large, the signal component A and the signal component B are not preprocessed by a method such as amplification or selection. When the addition is performed, it is difficult to secure the signal contrast near the inflection point and in the high illuminance region. On the other hand, although the output characteristic d is reduced only in the dynamic range width, an appropriate contrast can be secured even when the addition is performed without preprocessing.

【0031】図6は、第1実施形態の変形例を示す概略
構成図であり、図中、図1と同等部分には同一符号を付
して示してある。第1実施形態に係るCCD固体撮像装
置では、水平転送部4が水平方向の画素数の2倍のパケ
ット4a,4bの集合によって構成されていたのに対
し、本変形例に係るCCD固体撮像装置においては、水
平転送部4が各々水平方向の画素数と同数のパケット4
a,4bからなる2ラインの水平転送列4A,4Bによ
って構成されている。
FIG. 6 is a schematic diagram showing a modification of the first embodiment. In the drawing, the same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. In the CCD solid-state imaging device according to the first embodiment, the horizontal transfer unit 4 is configured by a set of packets 4a and 4b having twice the number of pixels in the horizontal direction. , The horizontal transfer unit 4 has the same number of packets 4 as the number of pixels in the horizontal direction.
The horizontal transfer columns 4A and 4B are composed of two lines a and b.

【0032】このように、水平転送部4を2ライン構成
とすることにより、1ライン構成の場合よりも水平駆動
周波数を半分にすることができるため、低消費電力化を
図る上で有利である。2ラインの水平転送列4A,4B
の出力段には、各水平転送列4A,4Bによって転送さ
れてきた信号成分A,Bを信号成分単位で交互に電荷検
出部5に転送するゲート部4cが設けられている。
As described above, when the horizontal transfer unit 4 has a two-line configuration, the horizontal drive frequency can be halved compared to the case of a one-line configuration, which is advantageous in reducing power consumption. . Two-line horizontal transfer columns 4A, 4B
Is provided with a gate section 4c for alternately transferring the signal components A and B transferred by the horizontal transfer columns 4A and 4B to the charge detection section 5 in signal component units.

【0033】この変形例の場合には、水平転送部4の構
成が第1実施形態の場合と相違するのみであり、広ダイ
ナミックレンジを得るための駆動方法及び電荷検出部5
の構造については、第1実施形態の場合と全く同一であ
リ、またそれに伴う作用効果も同じである。
In the case of this modification, the configuration of the horizontal transfer section 4 is different from that of the first embodiment only, and the driving method for obtaining a wide dynamic range and the charge detection section 5
Is exactly the same as that of the first embodiment, and the operation and effect associated therewith are also the same.

【0034】上述したように、本実施形態においては、
第1,第2の光電変換素子群1,2の各信号電荷を独立
に読み出すことが可能なCCD固体撮像装置において、
ある蓄積時間の経過後第1の光電変換素子群1の各信号
電荷を垂直転送部3に読み出して信号成分Aとし、その
後光電変換素子群1,2の全信号電荷を排出し、続いて
所定の時間が経過した後、第1,第2の光電変換素子群
1,2の各信号電荷を読み出し、かつ垂直転送部3内で
混合して信号成分Bとするようにしている。
As described above, in the present embodiment,
In a CCD solid-state imaging device capable of independently reading each signal charge of the first and second photoelectric conversion element groups 1 and 2,
After a lapse of a certain accumulation time, each signal charge of the first photoelectric conversion element group 1 is read out to the vertical transfer unit 3 to be a signal component A, and then all signal charges of the photoelectric conversion element groups 1 and 2 are discharged. After the time elapses, the signal charges of the first and second photoelectric conversion element groups 1 and 2 are read out and mixed in the vertical transfer unit 3 to obtain the signal component B.

【0035】これにより、蓄積時間の長い側の信号成分
Aを1画素の信号電荷で構成し、蓄積時間の短い側の信
号成分Bを2画素の信号電荷で構成することができる。
信号成分Bのみを2画素の信号電荷で構成することによ
り、2種類の信号成分A,Bの蓄積時間の比率を従来の
1/2にすることができる。その結果、CCD固体撮像
装置のダイナミックレンジをより拡大できることにな
る。
As a result, the signal component A on the long accumulation time side can be constituted by the signal charges of one pixel, and the signal component B on the short accumulation time side can be constituted by the signal charges of two pixels.
By configuring only the signal component B with the signal charges of the two pixels, the ratio of the accumulation time of the two types of signal components A and B can be reduced to の of that in the related art. As a result, the dynamic range of the CCD solid-state imaging device can be further expanded.

【0036】また、電荷検出部5に信号成分AとBを加
算する機能を持たせたことで、CCD固体撮像装置内部
で直接加算して広ダイナミックレンジの信号を出力する
ことができるため、CCD固体撮像装置の外部に付加回
路を設けなくても、広ダイナミックレンジの信号を得る
ことができる。しかも、電荷検出部5にクリップ機能を
も持たせたことで、蓄積時間の長い信号成分Aに含まれ
る信号飽和時のムラを除去できるため、S/Nを向上で
きる。
Since the charge detecting section 5 has a function of adding the signal components A and B, a signal having a wide dynamic range can be output by directly adding the signals inside the CCD solid-state imaging device. A signal with a wide dynamic range can be obtained without providing an additional circuit outside the solid-state imaging device. In addition, since the charge detection unit 5 also has a clipping function, it is possible to remove unevenness at the time of signal saturation included in the signal component A having a long accumulation time, thereby improving S / N.

【0037】なお、上記実施形態においては、蓄積時間
の長い側の信号成分Aを1画素の信号電荷で構成し、蓄
積時間の短い側の信号成分Bを2画素の信号電荷で構成
することで、より広ダイナミックレンジ化を実現すると
したが、その逆に、蓄積時間の長い側の信号成分Aを2
画素の信号電荷で構成し、蓄積時間の短い側の信号成分
Bを1画素の信号電荷で構成することで、より高感度化
を実現できる。
In the above embodiment, the signal component A on the long accumulation time side is constituted by signal charges of one pixel, and the signal component B on the short accumulation time side is constituted by signal charges of two pixels. To realize a wider dynamic range, but conversely, the signal component A on the long side of the accumulation time is 2
Higher sensitivity can be realized by using the signal charges of the pixels and configuring the signal component B on the shorter accumulation time side with the signal charges of one pixel.

【0038】すなわち、信号成分Aを2画素の信号電荷
で構成し、信号成分Bを1画素の信号電荷で構成する場
合は、図2のタイミングチャートにおいて、時刻t4及
び時刻t5の動作、即ち先に読み出した第1の光電変換
素子群1の信号電荷を1単位だけ転送した後、第2の光
電変換素子群2の信号電荷を読み出して混合するという
動作が不要となる。
That is, when the signal component A is composed of the signal charges of two pixels and the signal component B is composed of the signal charges of one pixel, the operation at time t4 and time t5 in the timing chart of FIG. After transferring the signal charges of the first photoelectric conversion element group 1 read out by one unit, the operation of reading and mixing the signal charges of the second photoelectric conversion element group 2 becomes unnecessary.

【0039】これにより、時刻t4及び時刻t5の時間
分だけ時刻t1及び時刻t2の時間を遅らせることがで
きるため、その分だけ信号成分Aの蓄積時間を伸ばすこ
とができる。したがって、信号電荷の蓄積時間が伸びた
分だけ感度を向上できることになる。同時に、最大ダイ
ナミックレンジも2種類の信号成分を構成する画素数が
同じ場合に比べて2倍に拡大できることになる。
As a result, the time at time t1 and time t2 can be delayed by the time at time t4 and time t5, so that the accumulation time of the signal component A can be extended by that amount. Therefore, the sensitivity can be improved by the extension of the signal charge accumulation time. At the same time, the maximum dynamic range can be doubled as compared with the case where the number of pixels constituting the two types of signal components is the same.

【0040】すなわち、最大2画素で1つの信号成分を
構成する場合は、画素ごとの読み出しの間に垂直転送部
3の動作(時間)が必要となり、この時間はフィールド
期間内で蓄積時間に寄与しない時間となる。したがっ
て、コントラスト問題よりも低照度の感度を重視したい
場合は、短時間蓄積の信号成分の構成画素数を少なくし
て不要となった転送動作時間を長時間蓄積に当てること
により、高感度の信号が得られるのである。
That is, when one signal component is constituted by a maximum of two pixels, the operation (time) of the vertical transfer unit 3 is required between readings for each pixel, and this time contributes to the accumulation time in the field period. It will not be time. Therefore, when the sensitivity of low illuminance is more important than the contrast problem, by reducing the number of constituent pixels of the signal component of the short-time accumulation and allocating the unnecessary transfer operation time to the long-time accumulation, a high-sensitivity signal can be obtained. Is obtained.

【0041】なお、上記各実施形態では、最大2画素で
各々の信号成分を構成する場合を例にとって説明した
が、2画素の限定されるものではない。一般的に、最大
n個の画素の信号電荷で各々の信号成分を構成する場合
は図7の構造で表現されることになる。
In each of the above embodiments, the case where each signal component is constituted by a maximum of two pixels has been described as an example, but the invention is not limited to two pixels. Generally, when each signal component is composed of signal charges of a maximum of n pixels, it is represented by the structure of FIG.

【0042】図8は、上記構成の固体撮像装置及びその
駆動方法を用いた本発明の係るカメラの概略構成図であ
る。図8において、被写体からの入射光はレンズ21を
含む光学系によってCCD固体撮像素子22の撮像面上
に結像される。CCD固体撮像素子22としては、図
1、図6又は図7に示す構成のものが用いられる。この
CCD固体撮像素子22は、図1のタイミングジェネレ
ータ7を含む駆動系23によって先述した駆動方法を基
に駆動される。CCD固体撮像素子22の出力信号は、
信号処理系24で種々の信号処理が施されて映像信号と
なる。
FIG. 8 is a schematic configuration diagram of a camera according to the present invention using the solid-state imaging device having the above-described configuration and a driving method thereof. In FIG. 8, incident light from a subject is imaged on an imaging surface of a CCD solid-state imaging device 22 by an optical system including a lens 21. As the CCD solid-state imaging device 22, one having the configuration shown in FIG. 1, FIG. 6, or FIG. 7 is used. The CCD solid-state imaging device 22 is driven by a driving system 23 including the timing generator 7 in FIG. 1 based on the driving method described above. The output signal of the CCD solid-state imaging device 22 is
Various signal processing is performed by the signal processing system 24 to obtain a video signal.

【0043】上記構成のカメラにおいては、CCD固体
撮像素子22から適度にコントロールされたダイナミッ
クレンジを有する信号が直接出力される。この出力信号
を従来と同じ構成の信号処理系24に入力することで、
低照度から高照度までのコントラストがとれ、かつ従来
システムとの整合性も高いカメラを実現できる。しか
も、蓄積時間の長い信号成分と短い信号成分を構成する
画素数を変えることで、感度/最大ダイナミックレンジ
を改善した動作が可能となる。
In the camera having the above-described configuration, a signal having an appropriately controlled dynamic range is directly output from the CCD solid-state imaging device 22. By inputting this output signal to a signal processing system 24 having the same configuration as that of the related art,
It is possible to realize a camera that can obtain contrast from low illuminance to high illuminance and has high compatibility with the conventional system. In addition, by changing the number of pixels constituting the signal component having a long accumulation time and the signal component having a short accumulation time, an operation with improved sensitivity / maximum dynamic range can be performed.

【0044】[0044]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
2次元配置された画素の信号電荷を独立に読み出すこと
が可能な固体撮像装置において、同一画素群から蓄積時
間の異なる信号成分を読み出す際に、蓄積時間の長い信
号成分Aを構成する画素数と蓄積時間の短い信号成分B
を構成する画素数とを異ならせるようにしたことで、信
号成分Aを構成する画素数を信号成分Bを構成する画素
数よりも少なく設定した場合には、2種類の信号成分
A,Bの蓄積時間の比率を両画素数が同じ場合よりも下
げることができるため、低照度側の感度を犠牲にするこ
となくダイナミックレンジを拡大でき、また信号成分B
を構成する画素数を信号成分Aを構成する画素数よりも
少なく設定した場合には、不要となった転送動作時間を
信号成分Aの蓄積時間に当てることができるため、低照
度の感度を向上できることになる。
As described above, according to the present invention,
In a solid-state imaging device capable of independently reading signal charges of two-dimensionally arranged pixels, when reading signal components having different accumulation times from the same pixel group, the number of pixels constituting the signal component A having a long accumulation time is Signal component B with short accumulation time
When the number of pixels constituting the signal component A is set smaller than the number of pixels constituting the signal component B, the number of pixels constituting the signal component A is set to be different from the number of pixels constituting the signal component B. Since the ratio of the accumulation time can be made lower than the case where the number of pixels is the same, the dynamic range can be expanded without sacrificing the sensitivity on the low illuminance side, and the signal component B
When the number of pixels constituting the signal component A is set to be smaller than the number of pixels constituting the signal component A, the unnecessary transfer operation time can be used for the accumulation time of the signal component A, thereby improving the sensitivity at low illuminance. You can do it.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1実施形態を示す概略構成図であ
る。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a first embodiment of the present invention.

【図2】第1実施形態の動作説明のためのタイミングチ
ャートである。
FIG. 2 is a timing chart for explaining the operation of the first embodiment.

【図3】電荷検出部の構成の一例を示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating an example of a configuration of a charge detection unit.

【図4】電荷検出部の動作説明のためのタイミングチャ
ートである。
FIG. 4 is a timing chart for explaining the operation of the charge detection unit.

【図5】本発明の駆動方法及び従来の駆動方法で駆動し
た場合の信号成分A,B及び電荷検出部でクリップ/加
算された後の光量出力特性例を示す特性図である。
FIG. 5 is a characteristic diagram showing an example of light amount output characteristics after clipping / addition by signal components A and B and a charge detection unit when driven by the driving method of the present invention and the conventional driving method.

【図6】第1実施形態の変形例を示す概略構成図であ
る。
FIG. 6 is a schematic configuration diagram illustrating a modification of the first embodiment.

【図7】最大n個の画素で信号成分を構成する場合の概
略構成図である。
FIG. 7 is a schematic configuration diagram when a signal component is composed of a maximum of n pixels.

【図8】本発明に係るカメラの概略構成図である。FIG. 8 is a schematic configuration diagram of a camera according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…第1の光電変換素子群、2…第2の光電変換素子
群、3…垂直転送部、4…水平転送部、5…電荷検出
部、7…タイミングジェネレータ、10…フローティン
グディフュージョン、11…リセットドレイン、12-
1,12-2…リセットゲート電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... 1st photoelectric conversion element group, 2 ... 2nd photoelectric conversion element group, 3 ... Vertical transfer part, 4 ... Horizontal transfer part, 5 ... Charge detection part, 7 ... Timing generator, 10 ... Floating diffusion, 11 ... Reset drain, 12-
1,12-2 ... Reset gate electrode

Claims (13)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 2次元配置された画素の信号電荷を独立
に読み出すことが可能で、かつ同一画素群から蓄積時間
の異なる信号成分を読み出す固体撮像装置であって、 蓄積時間の長い第1信号成分を構成する画素数と蓄積時
間の短い第2信号成分を構成する画素数とを異ならせて
信号電荷の読み出し駆動を行う駆動系を備えたことを特
徴とする固体撮像装置。
A solid-state imaging device capable of independently reading signal charges of two-dimensionally arranged pixels and reading signal components having different accumulation times from the same pixel group, wherein the first signal having a long accumulation time is provided. A solid-state imaging device, comprising: a driving system that performs read driving of signal charges by making the number of pixels constituting a component different from the number of pixels constituting a second signal component having a short accumulation time.
【請求項2】 前記第1信号成分を構成する画素数は、
前記第2信号成分を構成する画素数よりも少ないことを
特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。
2. The number of pixels constituting the first signal component is:
2. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the number of pixels constituting the second signal component is smaller than the number of pixels.
【請求項3】 前記第1信号成分を構成する画素数は、
前記第2信号成分を構成する画素数よりも多いことを特
徴とする請求項1記載の固体撮像装置。
3. The number of pixels constituting the first signal component is:
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the number of pixels constituting the second signal component is larger than the number of pixels.
【請求項4】 前記第1信号成分と前記第2信号成分と
を加算して電圧に変換する電荷検出部を備えたことを特
徴とする請求項1記載の固体撮像装置。
4. The solid-state imaging device according to claim 1, further comprising a charge detection unit that adds the first signal component and the second signal component and converts the sum into a voltage.
【請求項5】 前記電荷検出部は、前記第1信号成分に
対して所定のクリップレベルでスライスを施すことを特
徴とする請求項4記載の固体撮像装置。
5. The solid-state imaging device according to claim 4, wherein the charge detection section slices the first signal component at a predetermined clip level.
【請求項6】 2次元配置された画素の信号電荷を独立
に読み出すことが可能な固体撮像装置において、同一画
素群から蓄積時間の異なる信号成分を読み出す駆動方法
であって、 蓄積時間の長い第1信号成分を構成する画素数と蓄積時
間の短い第2信号成分を構成する画素数とを異ならせた
ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
6. A driving method for reading out signal components having different accumulation times from the same pixel group in a solid-state imaging device capable of independently reading out signal charges of pixels arranged two-dimensionally, the method comprising: A method for driving a solid-state imaging device, wherein the number of pixels constituting one signal component is different from the number of pixels constituting a second signal component having a short accumulation time.
【請求項7】 前記第1信号成分を構成する画素数は、
前記第2信号成分を構成する画素数よりも少ないことを
特徴とする請求項6記載の固体撮像装置の駆動方法。
7. The number of pixels constituting the first signal component is:
7. The method according to claim 6, wherein the number of pixels constituting the second signal component is smaller than the number of pixels.
【請求項8】 前記第1信号成分を構成する画素数は、
前記第2信号成分を構成する画素数よりも多いことを特
徴とする請求項6記載の固体撮像装置の駆動方法。
8. The number of pixels constituting the first signal component is:
7. The method according to claim 6, wherein the number of pixels constituting the second signal component is larger than the number of pixels.
【請求項9】 第1の画素群の各信号電荷を読み出して
前記第1信号成分とし、 その後全画素の信号電荷を排出し、 所定時間が経過した後第1,第2の画素群の各信号電荷
を読み出しかつ混合して前記第2信号成分とすることを
特徴とする請求項7記載の固体撮像装置の駆動方法。
9. A signal charge of a first pixel group is read out to be the first signal component, and then signal charges of all pixels are discharged. After a predetermined time has passed, each signal charge of the first and second pixel groups is read out. 8. The method according to claim 7, wherein signal charges are read out and mixed to form the second signal component.
【請求項10】 前記第1信号成分と前記第2信号成分
とをそれぞれ独立に転送した後、加算して出力すること
を特徴とする請求項9記載固体撮像装置の駆動方法。
10. The driving method for a solid-state imaging device according to claim 9, wherein the first signal component and the second signal component are independently transferred, added, and output.
【請求項11】 被写体からの入射光を結像させる光学
系と、 前記光学系によって結像された像光を2次元配置された
画素単位で光電変換しかつ画素の信号電荷を独立に読み
出すことが可能な固体撮像素子と、 前記固体撮像素子の同一画素群から蓄積時間の異なる信
号成分を読み出すとともに、蓄積時間の長い第1信号成
分を構成する画素数と蓄積時間の短い第2信号成分を構
成する画素数とを異ならせて読み出し駆動を行う駆動系
と、 前記固体撮像素子の出力信号を処理する信号処理系とを
備えたことを特徴とするカメラ。
11. An optical system for forming an image of incident light from a subject, and photoelectrically converting the image light formed by the optical system in units of two-dimensionally arranged pixels and independently reading signal charges of the pixels. And a signal component having a different accumulation time are read from the same pixel group of the solid-state image sensor, and a second signal component having a shorter accumulation time and the number of pixels constituting a first signal component having a longer accumulation time are read out. A camera comprising: a driving system that performs readout driving by making the number of pixels different from each other; and a signal processing system that processes an output signal of the solid-state imaging device.
【請求項12】 前記固体撮像素子は、前記第1信号成
分と前記第2信号成分とを加算して電圧に変換する電荷
検出部を有することを特徴とする請求項11記載のカメ
ラ。
12. The camera according to claim 11, wherein the solid-state imaging device has a charge detection unit that adds the first signal component and the second signal component and converts the sum into a voltage.
【請求項13】 前記電荷検出部は、前記第1信号成分
に対して所定のクリップレベルでスライスを施すことを
特徴とする請求項12記載のカメラ。
13. The camera according to claim 12, wherein the charge detection section slices the first signal component at a predetermined clip level.
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